隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和氣候變化關(guān)注的增加，越來越多的人開始選擇電動(dòng)汽車作為出行的代步工具。然而，里程焦慮仍然是車主們的一塊“心病”。不過，量子技術(shù)領(lǐng)域的突破為解決電動(dòng)汽車的續(xù)航問題帶來了更多的可能性。
據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》近日?qǐng)?bào)道，日本東京工業(yè)大學(xué)科學(xué)家研發(fā)的鉆石量子傳感器可將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程增加約10%。該技術(shù)可精確測(cè)量?jī)?chǔ)存的電量，從而最大限度地提高車載電池的性能，他們的目標(biāo)是最早在2030年將這項(xiàng)技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用。
氮-空位(NV)中心是金剛石中形成的由氮(N)和空位(V)組成的點(diǎn)缺陷。圖片來源：日本東京工業(yè)大學(xué)官網(wǎng)
電動(dòng)汽車電池測(cè)量有誤差
通常情況下，電動(dòng)汽車電池的電流可達(dá)數(shù)百安培，但由于難以準(zhǔn)確測(cè)量充電量，電池的設(shè)置容量比實(shí)際可儲(chǔ)存電量要少10%左右。
曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院教授劉曉兵在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，電動(dòng)汽車電池電量難以測(cè)量的原因有多方面。
例如，電池電壓和電流的微小變化都會(huì)明顯影響電量的檢測(cè)，尤其對(duì)于磷酸鐵鋰LiFePO4電池，其放電曲線平緩，電芯電壓測(cè)量精度難以精確控制，傳感器的任何小幅度誤差都可能導(dǎo)致較大的電量測(cè)量誤差。
其次，電池包通常由幾十個(gè)電池芯組成，整體性能由最弱的電芯決定。精確評(píng)估電池電量需要對(duì)每一個(gè)電芯實(shí)時(shí)監(jiān)控，這對(duì)空間布置以及成本控制都提出了巨大挑戰(zhàn)。
此外，電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中，由于電池處于持續(xù)變化的充放電狀態(tài)，這就要求傳感器能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)這些變化。然而，快速的充放電循環(huán)和動(dòng)態(tài)的負(fù)載變化可能超出傳感器的快速響應(yīng)能力。
“因此，如果有能以較高的精度測(cè)量充電量的傳感器，將能充分發(fā)揮車載電池的性能。”劉曉兵說。
鉆石在量子傳感領(lǐng)域備受青睞
長(zhǎng)期以來，鉆石憑借其相干氮-空位(NV)中心、可調(diào)節(jié)自旋、磁場(chǎng)敏感性以及在室溫下工作的能力，一直在量子傳感領(lǐng)域備受青睞。劉曉兵介紹說，鉆石本身具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和物理耐用性，是世界上硬度最高導(dǎo)熱性最好的材料，這也使得鉆石量子傳感器非常適合于惡劣環(huán)境長(zhǎng)期應(yīng)用。
東京工業(yè)大學(xué)和汽車零件生產(chǎn)企業(yè)矢崎總業(yè)公司就將目光投向了鉆石量子傳感器。他們?cè)阢@石的部分結(jié)晶中設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)，使其具有在綠色激光照射下發(fā)出紅色熒光的性質(zhì)。根據(jù)內(nèi)部電子的量子狀態(tài)，熒光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。受周圍電流、磁力、溫度的影響，電子的量子狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，因此根據(jù)熒光強(qiáng)度就可計(jì)算出磁力。
據(jù)報(bào)道，該傳感器可安裝在被稱為“母線”的金屬部件上。“母線”是蓄電池輸送電力的通道。傳統(tǒng)傳感器以1安培為單位測(cè)量電流大小，而新開發(fā)的傳感器以10毫安為單位，精度提高100倍。因此，可讓充電量接近電池實(shí)際可儲(chǔ)存電量，而不用預(yù)留10%的空間，電池的續(xù)航里程從而得以延長(zhǎng)。
劉曉兵進(jìn)一步解釋了鉆石量子傳感器的科學(xué)原理。他表示，NV中心是鉆石晶格中的一個(gè)碳原子被氮原子替代，并伴隨一個(gè)相鄰位置的空位形成的復(fù)合缺陷，具有可操控和讀出的電子自旋態(tài)。通過光學(xué)激發(fā)，可讀出其自旋態(tài)，進(jìn)而得知外部環(huán)境信息。NV中心對(duì)外部環(huán)境極為敏感，具有納米級(jí)的空間分辨率，在檢測(cè)環(huán)境微弱電場(chǎng)與磁場(chǎng)變化方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，這使得鉆石量子傳感器在測(cè)量充電量方面具有巨大潛力。
各國(guó)爭(zhēng)搶量子鉆石高地
相較于已投入應(yīng)用的超導(dǎo)量子干涉儀，鉆石量子傳感器具有更高的檢測(cè)靈敏度與空間分辨率，而且具備操作簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍更廣等多種優(yōu)勢(shì)。
目前，鉆石量子傳感器也成了國(guó)際量子競(jìng)爭(zhēng)前沿領(lǐng)域之一。美國(guó)、英國(guó)、歐盟等西方國(guó)家均將NV中心量子調(diào)控與量子傳感器應(yīng)用作為重點(diǎn)支持方向。
矢崎總業(yè)公司的目標(biāo)是，最早于2030年實(shí)現(xiàn)鉆石量子傳感器實(shí)用化，面向汽車制造商和零部件制造商供貨。雖然現(xiàn)在周邊設(shè)備較大，但通過使用小型半導(dǎo)體激光等，可將量子傳感器大小縮小到10立方厘米大小，成本也與以往的電流傳感器相當(dāng)。
不過，東京工業(yè)大學(xué)教授波多野睦子表示，最大的成本因素是鉆石。用于制造量子傳感器的鉆石是人工合成的，這與從礦山開采、用于珠寶首飾的天然鉆石不同。使用廉價(jià)線路板，采用從沼氣中提煉鉆石的量產(chǎn)方法，可大幅降低制造成本。
劉曉兵稱，我國(guó)作為電動(dòng)汽車生產(chǎn)與消費(fèi)的大國(guó)，量子級(jí)鉆石仍嚴(yán)重依賴國(guó)外進(jìn)口，這也成為新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展所面臨的一個(gè)重要問題。目前，他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與其他高校、科研機(jī)構(gòu)合作，成功制備出人造量子鉆石，我國(guó)山東超晶新材料公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)量子鉆石的規(guī)?；a(chǎn)。
劉曉兵認(rèn)為，雖然鉆石量子傳感器目前面臨成本挑戰(zhàn)，但考慮到其獨(dú)特性能和潛在應(yīng)用，以及后期技術(shù)進(jìn)步帶來的成本降低，未來市場(chǎng)前景非常值得期待。
